第02讲地下水文学

地下水水文学主讲：

刘国东

教授GroundwaterHydrology电话mail:liugd988@163.com

1.4不同含水介质中的地下水1.4不同含水介质中的地下水孔隙水(porewater)洪积物(diluvialdeposit)中的地下水洪积扇(proluvialfan)以山口为顶点的扇形或锥形的堆积地貌，称洪积扇或冲积锥在绵延的山岭与平原交接地带，每个山口都堆积有或大或小的洪积扇，在扇与扇间形成洼地，远看呈波状起伏，或连成一片，俗称洪积裙(1)砂砾石带位于洪积扇上部，此带地形坡度陡，水动力条件强，沉积物多为砾石、卵石、漂砾等，沉积物不显层理，或仅在其间所夹细粒层中显示层理。(2)租粒沉积交错过渡带位于洪积扇的中下部，此带地形变缓，水动力条件渐弱，沉积颗粒逐渐变细，由砂砾、砂过渡为亚砂土、亚粘土，并在垂直方向上出现连续的粘土夹层。(3)粘性细土带位于洪积扇下部，即扇的边缘没入平原的部分，沉积物颗粒更细，并有淤泥质沉积。1.4不同含水介质中的地下水地下水分布特征砂砾石带粗粒沉积交错过渡带粘性细土带基岩砾石砂粘性土潜水深埋带/盐分溶滤带潜水溢出带/盐分过路带潜水下沉带/盐分堆积带洪积物总的分布规律是：从山前到平原，地形坡度由陡变缓，岩性由粗变细，透水性由强变弱。而赋存其间的地下水则是：含水量由多变少，潜水埋深由大变小，承压水水头由小变大。水化学：HCO3SO4Cl冲积物(alluvialdeposit)中的地下水山间河谷地下水平原区地下水(“地上河”)基岩砂砾石亚粘土山间河谷地下水冲积物中的潜水主要接受大气降水的入渗补给，平原区潜水水力梯度小，主要是蒸发排泄，因此在干旱区平原或盆地的地表常形成土壤盐渍化。冲积物中的承压水主要接受来自山前洪积扇补给区潜水的补给，最终以径流方式排入地势低处的潜水或地表水体。1.4不同含水介质中的地下水湖积物(lacustrinedeposit)中的地下水湖岸区，常埋藏有潜水湖心区，泥质粘土，有细砂透镜体，有承压水，水质差河口三角洲，含有较丰富的地下水(潜水或浅层承压水)滨海沉积物(littoralsediment)中的地下水三角洲沉积，细砂和粉细砂，富水性差，含盐量高有时埋藏有水量丰富、水质良好的承压水(80~200m以下)黄土(loess)中的地下水(高原地貌)以粉土颗粒为主，并发育有垂直裂隙及孔洞、根管、虫穴等，故黄土又称大孔土。垂直空隙的发育，使垂向渗透能力远较水平方向强黄土见水后往往下沉，称黄土的湿陷性地下水埋深较大，补给较差，缺水!黄土塬可形成较丰富的地下水，黄土梁、黄土峁常为严重缺水地区梁、峁之间的宽浅沟谷(俗称掌地或杖地)，常能汇集部分地下水，埋深较小，可成为生活用水的小型水源地下水含盐量一般较高，北部地下水矿化度可达3~10g/L冰川沉积物(glacialdebris)中的地下水1.4不同含水介质中的地下水裂隙水裂隙水的一般特征裂隙水的分布特征地下水分布不均层状裂隙水：相对均匀，水力联系良好，有统一的地下水面脉状裂隙水：水力联系差，往往无统一水面裂隙水的分布与富集受地质构造条件控制明显裂隙水的运动特征在流动过程中水力联系呈明显的各向异性局部地段的流向并不总和水流的总体方向一致，局部承压运动速度一般不大，呈层流状态。个别除外。1.4不同含水介质中的地下水不同成因类型裂隙中的地下水风化裂隙水风化裂隙：长期暴露地表的岩石，在温度、水、空气、生物等风化营力作用下，其结构、构造、成分将发生变化，并逐渐疏松破碎，从而在岩石中形成裂隙风化裂隙水大多为埋藏较浅的潜水，且成层分布，水力联系较好，具统一的地下水面(见图1-16)影响风化裂隙水分布的因素：气候：气候干燥、温差大的地区，物理风化强烈，强风化带地下水丰富；湿热地区，化学风化强烈，半风化带地下水较丰富岩性：结构致密、成分均匀且稳定的岩石(如石英岩)较难风化。泥岩风化裂隙易被充填。多种矿物组成的粗粒结晶岩，风化裂隙开启性好，常赋存风化裂隙水地形条件：地形低缓、剥蚀作用微弱的地带，有利于风化壳的发育与保存，如为汇水区，则可形成大规模的含水层风化裂隙水分布广泛，埋藏浅，水质较好，易于开采。但因风化壳厚度有限，一般水量不大。1.4不同含水介质中的地下水成岩裂隙水成岩裂隙：指岩石在成岩过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙以喷出岩和侵入岩的成岩裂隙最具水文地质意义玄武岩内部张应力作用产生柱状裂隙。裂隙开张，发育均匀，连通性好，常构成贮水丰富、导水畅通的层状裂隙含水层侵入岩中的成岩裂隙，则是在强大压力及冷凝收缩作用下形成的，裂隙的分布与岩体产状有密切关系，一般分布在侵入岩体与围岩的接触带沉积岩主要是层间裂隙构造裂隙水构造裂隙：是因岩石在构造运动中受地应力作用产生的。影响因素：主要受岩性和构造应力控制。岩性塑性岩石(泥岩、页岩)塑性变形细微裂隙隔水层脆性岩石(砂岩、灰岩)弹性变形张性裂隙含水层应力富水部位夹于塑性岩石之间的脆性岩石即“两软夹一硬”层状裂隙水脆性岩层背斜的轴部脆性岩层中的张性断层即“正断层”破碎带导水断层(图)贮水空间集水廊道导水通道压性断层的上盘张性裂隙区断层交会带（图）低序次小断层的断裂密集带张应力导水裂隙

剪应力闭合裂隙1.4不同含水介质中的地下水1.4不同含水介质中的地下水岩溶水岩溶现象(Karst)是可溶性岩石在水的溶蚀作用下所形成的地表及地下各种地质现象的综合可溶岩类：碳酸盐类岩石(灰岩、白云岩)、硫酸盐类岩石如石膏)、卤化物类岩石(如岩盐、钾盐)典型岩溶形态：地表有溶沟、溶槽、溶芽、石林、落水洞、溶蚀漏斗等；在地下有溶孔、溶蚀裂隙、溶洞、管道等岩溶发育的基本条件：可溶的透水岩层侵蚀性水流水的运动状态：水在岩层中循环与交替。水交替快，岩溶发育快。气候：区域控制条件必备条件1.4不同含水介质中的地下水岩溶水的特征岩溶水：贮存并运动于溶蚀洞隙中的地下水岩溶水的分布特征：空间分布极不均匀差异溶蚀(图1-17)地下水河系(图1-18)岩溶富水地带(济南泉群)岩溶水的补给特征降水通过落水洞、溶斗补给降水入渗量大，南方可达80%，北方40%~50%导致地表水贫乏岩溶水的排泄特征集中排泄：地下水河口、大泉或泉群（娘子关泉）岩溶水的运动特征运动异常复杂：层流和紊流；潜水和承压水；同一水体有不同水位(图1-19)1.4不同含水介质中的地下水岩溶水的动态特征岩溶水水位、水量变化幅度大，对降水反映明显，地下水位陡涨陡落，表现为河水特征（图1-20）在北方，岩溶水动态较为稳定（图1-21）岩溶水化学特征岩溶水的化学特征岩溶水的补给、径流及排泄等条件，决定了岩溶水的水化学特征由于水流交替条件良好，故岩溶水特别是浅部的岩溶水，矿化度较小，一般在0.5g/L以下，水质多为HCO3-Ca型水，白云岩分布区则多为HCO3-Ca-Mg型埋藏较深的岩溶水化学成分则随水交替条件而异，通常补给区矿化度较低，随深度的增加矿化度逐渐升高。在构造封闭良好的古岩溶含水系统中，可保存矿化度高达50～200g/L的Cl-Na型沉积同生卤水。此外，由于岩溶水的独特补给方式，使得降水与地表水未经过滤便直接进入岩溶含水层，因此岩溶水极易被污染，利用岩溶水作供水水源时，应予以注意。1.4不同含水介质中的地下水多年冻土区地下水寒冷区年均气温>0C为季节冻土，<0C为多年(永久)冻土全球多年冻土面积20~50%，主要分布于两极和中低纬度的寒冷高山和高原，我国主要分布于大小兴安岭北部高纬山地及青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山等中低纬度高原和高山。总面积近190万km2，约占我国总面积五分之一多年冻土是一种特殊的含水结构，通常液态水与固态水共存，使得多年冻土区的水文地质条件复杂化，地下水的赋存与运动，不仅受地质结构的控制，而且还受多年冻土的影响。固态地下水所构成的冻层，起着隔水层的作用，而这种“隔水层”在温度、矿化度等因素影响下，随时间和空间又可以发生变化，转化为含液态水的含水层。而当水由液态转为固态时，体积约膨胀10％，对地下水会产生附加压力。因此，在多年冻土区，地下水具有独特的动态特征。1.4不同含水介质中的地下水冻结层上水埋藏在多年冻结层之上，由于多年冻结层构成隔水底板，冻结层上水的全部或部分在冬季冻结而夏季融化，这个变化层称活动层或融冻层类型(图1-22)全部季节冻结的冻结层上水部分季节冻结的冻结层上水季节冻结未达到冻结层上水未融解的季节性冻结层上水分隔为两层液态水冻结层间水埋藏于多年冻结层内部的液态水和固态水称为冻结层间水。液态水往往以层状、透镜状、脉状或管状等形式存在于固态水之间，通常具有承压性。液态的冻结层间水周围皆为负温的环境中，只有当其与较大的地表水体存在强烈的水力联系，且处于不断流动的状态下，或是具有较高的矿化度时，才有可能保持液相冻结层间水可通过融区或其它通道，接受冻结层上水或冻结层下水的补给。当由冻结层上水补给时，水温较低，且变化较大；当由冻结层下水补给时，水温则较高，变化也较小1.4不同含水介质中的地下水冻结层下水埋藏于冻结层之下的水体称为冻结层下水。与一般承压水相似，只是隔水顶板为多年冻结层，内能通过融区获得补给并进行排泄。冰椎和冰丘冰椎:地表水或地下水由于冰冻膨胀受压而涌溢地表，并冻结形成锥形或丘形冰体。河水冰椎：因河水表面冻结后，其下部未冻结的河水受压，突破水层，溢出地表并不断冻结而形成的地下水冰椎：可由泉水不断冻结而形成，也可由于地下水冻结受压流出地表不断冻结而形成混合冰椎冰丘：地下水在融冻层的某些地方积聚并在地下冻结，使地表产生丘状隆起。多年冻土区寻找地下水的良好标志冰椎和冰丘在寒冷季节产生，体积逐渐扩大，温暖季节则开始融化，表面产生裂缝，并在隆起处发生坍塌、流水，而逐渐消亡。但有些冰丘在温暖季节并不完全消失，只有范围稍有缩小，而寒冷季节继续增大，这种多年生成的大规模的冰丘称作冰水岩盘第2讲结束作业二1.洪积扇和滨海三角洲中地下水分布的主要差异有哪些？2.简述基岩地区地下水的富水规律。3.在岩溶地区，压扭性断层下盘可否富水？为什么？请分析原因。疯神抓碎的土地——鬼斧神工创造的世界黄土塬(洛川)黄土梁黄土峁梁峁梁峁掌地裂隙带泥岩、页岩砂岩砂岩泥岩、页岩断层带裂隙平原漏斗溶沟平原平台和圆台石林丘陵峰丛洼地峰林洼地孤峰平原残峰平原溶蚀平原裂隙溶沟溶蚀漏斗溶蚀洼地盲谷干河谷溶蚀峡谷坡立谷石牙溶柱峰林孤峰残丘天生桥落水洞竖井地下溶洞地下溶洞地下廊道石钟乳石笋石柱石幔伏流溶斗湖地下河地下瀑布地下湖陷落湖山麓泉喷泉图1-18广西地苏地下水河系略图岩溶含水区岩溶含水区娘子关泉位于山西省平定县娘子关附近。它由13个主要泉点组成，沿绵河及其上游桃河、温河河谷出露，分布范围长达7公里。泉水温度1